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MUSE - Modelluntersuchungen zu Extremsturmfluten

Modellgestützte

Untersuchungen zu

Sturmfluten mit sehr geringer

Eintrittswahrscheinlichkeit

Statistik: Jensen, MudersbachMeteorologie: Renner, KoziarOzeanographie: Müller-Navarra, Bork

Bork, Koziar, Müller-Navarra 9. KFKI - Seminar, 3.11.04 2

MUSE - Modelluntersuchungen zu Extremsturmfluten

• Modellsysteme• Methodik am Beispiel der Sturmflut 3./4. Januar 1976• Regionalisierung (Fallstudien 1976, 1962, 1999)• Zusammenfassung

Modellsystem - Ozeanographie

Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie:

• Nordostatlantikmodell (NOAMOD) 40 km• Zirkulationsmodell (BSHcmod)

Nord - und Ostseemodell 10 kmKüstenmodell 2 km

• Staumodell (Staumod) 10 km

Modellsystem - Meteorologie

Deutscher Wetterdienst (DWD):

• Globales Modell Europa (GME) 40 km• Lokales Modell (LM) 7 km

Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF):

• Integrated Forecast System (IFS) 78 km• Ensemble Prediction System (EPS) 78 km

Beispiel Sturmflut 3./4. Januar 1976 - Auswahl

Definition Effektivwind

WindschubspannungskoeffizientDatenbasis und typische Ansätze

Standard: Ansatz Smith und Banke 75

Beispiel Sturmflut 3./4. Januar 1976 - EPS 09

Beispiel Sturmflut 3./4. Januar 1976Windstau und Wind

Beispiel Sturmflut 3./4. Januar 1976Windstau Cuxhaven

Staumodell EPS 09

Maximaler Windstau 6.05 m

Stau bezogen auf HW 5.07 m

MThw - HW 5.29 m

Küstenmodell EPS 09

MThw - HW 5.59 m

Beobachtung

MThw - HW 3.66 m

Regionalisierung - Scheitelwasserstände 1976

ZusammenfassungMaximale Scheitelwasserstände (1962, 1976, 1999)

Beobachtung [m über NN] EPS [m über NN] Differenz [m]

Borkum 3.82 1962 4.70 1976 0.98Emden 4.76 1962 5.58 1976 0.82Norderney 4.12 1962 5.18 1976 1.06Helgoland 3.60 1962 5.44 1976 1.84

Wilhelmshaven 5.22 1962 7.31 1999 2.09Cuxhaven 5.10 1976 7.27 1999 2.17Büsum 5.15 1976 7.19 1999 2.04Husum 5.66 1976 7.44 1976 1.78

Zusammenfassung

• Das Ensemble Prediction System wurde in zeitlicher Nähetatsächlich eingetretener Sturmflutwetterlagen eingesetzt.

• Von 4500 Anfangsbedingungen führten nur 32 zu extremenWetterlagen und nur 12 davon zu extremen Sturmfluten.

• An der Küste zwischen Wilhelmshaven und Husum wurdenextreme Wasserstände um 7 m über NN simuliert.

• Damit werden bisher beobachtete Wasserständelokal um etwa 2 m überschritten.

• Dieses Ergebnis wird erst durch statistische Interpretationwirklich aussagekräftig.

Vorgehen Simulationen

Integrated Forcast System des ECMWF32 Simulationen

Zirkulationsmodell des BSH10+2 Simulationen

Staumodell des BSH32+27 Simulationen

Lokales Modell des DWD32 Simulationen

Ensemble Prediction System des ECMWF4500 Simulationen

Extreme Wetterlagen

Extreme Sturmfluten

Beispiel Sturmflut 3./4. 1976 - Windstau und WindMaximum und Animation

Regionalisierung - Windstau bei HW 1999 EPS 05

Windstau bezogen auf HW und NW (alle)

1962 1967 1976 1990 1994 1999

Borkum 3.32 3.80 2.11 2.29 3.64 3.51 2.57 4.09 2.93 2.99 3.67 2.64Cuxhaven 4.53 4.65 3.72 2.87 5.07 4.91 4.72 4.52 4.51 3.78 5.89 2.60Husum 5.18 4.65 4.16 2.74 5.84 5.21 4.78 3.99 4.96 3.97 4.89 2.78

Sturmflutmaximum Startzeitraum Startintervall Member insges.16.02.1962, 22:40 11.02.1962, 12:00 - 15.02.1962, 12:00 12 h 9 × 5003.01.1976, 14:20 30.12.1975, 12:00 - 03.01.1976, 00:00 12 h 8 × 5003.12.1999, 20:18 29.11.1999, 00:00 - 03.12.1999, 18:00 6 h 20 × 5023.02.1967, 23:20 20.02.1967, 00:00 - 23.02.1967, 18:00 6 h 16 × 5028.01.1994, 13:08 24.01.1994, 18:00 - 28.01.1994, 12:00 6 h 16 × 5027.02.1990, 01:42

27.02.1990, 14:17

28.02.1990, 02:3023.02.1990, 00:00 - 28.02.1990, 00:00 6 h 21 × 50

Tabelle 1: Grundkonfiguration der EPS-Experimente

Gesamtzahl 4500

Starttermine (alle)

Maximaler Effektivwind

Sturmflut max. Effektivwind- Beobachtung -

max. Effektivwind- Modellsimulation -

16.02.1962 20,1 m/s 28,9 m/s03.01.1976 21,6 m/s 32,3 m/s03.12.1999 19,0 m/s 35,5 m/s23.02.1967 19,8 m/s 28,8 m/s28.01.1994 16,8 m/s 27,5 m/s27.02.1990 18,0 m/s 34,4 m/s

4500 → 32 (+27)

Ergebnisse Staumod

Auswahl - Ozeanographie

HW = 6 m Winds tau – HW = 4.50 m Winds tau – NW = 4.50 m

1962 IFS26 IFS261962 IFS301967 - - -1976 IFS61 IFS611976 IFS09 IFS091976 Lm45 Lm451976 IFS45 IFS451990 IFS30 IFS301990 LM201990 IFS201994 IFS23 IFS231999 IFS05 IFS05

Gesamt 8 6 5

4500 → 32(+27) → 10(+2)

Jahr Art Meteorologie Modell Autor/Quelle MaximalerWasserstand

1825 Beobachtung (korr.) Koopmann 1962 4.66

1962 Beobachtung BSH 4.96

1976 Beobachtung BSH 5.101990 Beobachtung BSH 4.46

"1962" Superposition Koopmann 1962 (7.80)

"1962" Modell konstruiert Hewer 1980 7.50

"1976" Modell konstruiert Hewer 1980 6.80

1962 Modell - Hindcast GME/LM Staumod 4.76

1962 Modell - Hindcast GME/LM BSHcmod 4.81

1999 Modell - Hindcast GME/LM Staumod 4.67

1999 Modell - Hindcast GME/LM BSHcmod 4.85

1962 Modell IFS – EPS26 BSHcmod 6.10

1962 Modell IFS – EPS26 Staumod 5.99

1976 Modell IFS – EPS09 Staumod 6.731990 Modell IFS – EPS30 Staumod 6.38

1999 Modell IFS – EPS05 BSHcmod 7.27

Beispiel 1: Meteorologie 1962 - EPS26

Beispiel 1: 1962 EPS26 Cuxhaven

Windstau Wasserstand

Beispiel 2: Meteorologie 1999 - EPS05

Beispiel 2: 1999 EPS05 Cuxhaven

Windstau Wasserstand

Windschubkoeffizient - Vergleich

Windstau bei HW Maximaler WasserstandM-N 03 S+B 75 Onv 93 Wu 82 Red M-N 03 S+B 75 Onv 93 Wu 82 Red

Helgoland 2.26 2.29 2.36 2.40 1.95 2.91 3.07 3.14 3.18 2.73Borkum 2.03 1.74 1.84 1.82 1.54 2.95 2.66 2.76 2.75 2.46Wilhelms. 3.07 3.10 3.18 3.24 2.65 4.54 4.58 4.66 4.72 4.13Cuxhaven 3.31 3.28 3.35 3.43 2.79 4.55 4.67 4.76 4.84 4.20Büsum 3.19 3.36 3.55 3.52 2.94 4.55 4.61 4.80 4.77 4.20Husum 3.97 3.98 3.99 4.18 3.26 5.42 4.96 4.96 5.16 4.24Esbjerg 3.03 2.56 2.21 2.47 1.67 3.83 3.12 2.99 3.24 2.48Abs. Abw. 14.7 23.4 24.9 58.0 26.3 28.7 32.9 61.6Rel. Abw. 0.055 0.082 0.085 0.197 0.067 0.082 0.073 0.149

Einfluss der WindschubspannungStaumodell - Cuxhaven 1962

Einfluss der WindschubspannungStaumodell - Cuxhaven 1999

Windschubspannungskoeffizient und Windschubspannung

Zyklonenbahnen und Sturmfluttyp

Land Niedersachsen, 1979

Fuchs, 1999

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